一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法技术

本发明专利技术公开了一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法，属于天文导航、控制和制导领域。该方法的实现包括以下几个步骤：构建导航数据库，包括导航星库的筛选和处理、导航特征数据库以及导航邻星索引库的构建；观测星特征数据库和观测邻星索引库的构建；星图匹配，包括特征匹配，导航邻星索引库与观测邻星索引库的匹配；本发明专利技术利用星组重心与最小二乘法来标定星组基准以抗旋转，仅利用星点坐标组成星模式，特征信息完备性好，特征提取高效，识别率高、识别快速性好，在星点和星等标准偏差、假星和缺失星等干扰因素影响下，该方法具有强鲁棒性和高可靠性。方法具有强鲁棒性和高可靠性。方法具有强鲁棒性和高可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法


[0001]本专利技术属于天文导航领域，特别是涉及到一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法。

技术介绍

[0002]姿态测量在航天器的姿态控制、姿态稳定、导航、安全保护以及姿态评估和分析方面起着至关重要的作用，是保证航天器在期望的姿态下运行进而完成既定航天任务的前提和基础，对于航天器的安全运行、任务执行具有关键性的影响。星敏感器是以星空为工作对象的器件，是姿态精度最高的姿态敏感器，其工作原理是首先测量观测星在航天器坐标系中的矢量，然后通过星图识别，得到与观测星矢量对应的导航星在惯性坐标系中的矢量，最后将两组矢量进行相应的运算，进而输出航天器相对于惯性坐标系的姿态。在星敏感器的工作过程中，星图识别是保障星敏感器姿态输出的前提和关键。
[0003]自20世纪70年代至今，星图识别算法经历了半个多世纪的持续发展。在这期间，各国研究人员提出了大量的星图识别算法，其中较为经典的算法包括三角形算法和格栅算法。这为星图识别领域的进展奠定了基础，并在此基础上涌现出了各种改进算法。随着技术的不断发展，基于机器学习的方法，如基于深度学习的端到端星图识别等，也在不断发展和探索中。尽管星图识别算法在快速性、可靠性和自主性等方面取得了很大的突破，但随着航天任务要求越来越高，星图识别的性能在很大程度上决定着星敏感器的性能，高效的星图特征提取方法以及快速匹配算法仍然是星图识别的重点所在，并且需要进一步提高星图识别算法的可靠性和自主性。
[0004]各种三角形算法不同主要在于导航三角形的选取和存储方式上，在特征提取时主要以角距或其衍生的形式为特征，这类方法一般需要较大存储空间，且识别率普遍不高。格栅算法具有识别速度快、存储容量小的优点，但其因为近邻星选择的正确率不高，从一定程度上限制了星图识别的正确率，并且其一般更适合于视场内观测星数量较多的情形。基于神经网络的星图识别算法在识别速度、存储容量和鲁棒性的协调性上具有一定优势，但其数据需求量大、训练复杂度较高、计算资源要求高和可解释性差，并且对硬件的要求比较高，这些不足共同限制了以神经网络为基础的星图识别算法在实际中的应用。本专利技术考虑到以上算法中的缺陷和不足，提出了一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法，计算星点在所标定基准下的星点坐标，仅利用星点坐标组成星模式，特征信息完备性好，特征提取高效，匹配过程快速性好，在星点和星等标准偏差、假星和缺失星等干扰因素影响下，该方法具有强鲁棒性和高可靠性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种特征提取高效、硬件可实现性好、存储容量小、识别率高、识别快速性好、鲁棒性强和可靠性高的星图识别方法。
[0006]一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法，包括如下步骤：
[0007]1.构建导航数据库，包括下列步骤：
[0008]1.1导航星表的筛选和处理，根据星敏感器的设计要求，从SAO星表中挑选中符合亮度要求的导航星并剔除双星，将星点质心距离小于4像素的星视为双星，根据成像系统的参数计算双星对应的角距阈值，将星对角距小于角距阈值且星等数值较大的一颗星剔除；
[0009]1.2构建导航星特征数据库和导航邻星索引库，包括下列步骤：
[0010]1.2.1让每一颗导航星依次成为导航主星，按照与导航主星角距由小到大的原则，选取其中角距最小的n颗星作为导航主星的伴星，即导航邻星。同时依次记录下导航主星与导航邻星的星号组成初步的导航邻星索引库；
[0011]1.2.2获取导航主星与导航邻星在天球坐标系中的矢量，以导航主星的赤经、赤纬为星敏感器光轴指向，根据星敏感器的设计参数，将导航主星与导航邻星矢量从天球坐标系变换到图像坐标系上，进而得到各矢量对应的星点坐标；
[0012]1.2.3以矩阵形式记录导航邻星的坐标，p
′
＝[x
″1，x
″2，...，x
″
i
，...，x
″
n
；y
″1，y
″2，...，y
″
i
，...，y
″
n
]，其中x
″
i
，y
″
i
分别为n颗导航邻星与导航主星角距由小到大排序中序号为i的导航邻星在图像坐标系中的横、纵坐标；
[0013]1.2.4将导航主星与导航邻星视为一个星组，可仅利用星组重心确定星组基准，或利用星组重心与最小二乘法结合的方式确定星组基准，包括下列步骤：
[0014]1.2.4.1按照公式(1)计算星组重心坐标，并归一化，得单位矢量
[0015][0016]其中，a为参与重心计算的导航邻星的数量，1≤a≤n，a可根据实际情况选择和调整，∑表示求和。
[0017]1.2.4.2利用最小二乘法相关理论，按照公式(2)求直线y＝kx，使导航邻星到该直线的距离之和最小，并且根据此原则验证并确定唯一k值，
[0018][0019]其中，m为用于确定直线斜率的导航邻星的数量，1≤m≤n，m可根据实际情况选择和调整。
[0020]1.2.4.3确定星组基准的横轴的方向向量，该方向向量与直线y＝kx平行，按照公式(3)确定，确定的原则是选择与直线y＝kx平行且与向量夹角最小的向量，
[0021][0022]1.2.4.4根据笛卡尔坐标系右手定则确定星组基准的纵轴的方向向量如公式(4)，
[0023][0024]1.2.4.5由原始的图像坐标系到星组基准坐标系的旋转矩阵A由公式(5)得出，
[0025][0026]1.3按照公式(6)计算导航邻星在星组基准坐标系下的星点坐标，
[0027][0028]1.4在p中列的排列根据导航邻星与主星的距离近远进行的，而经过大量验证，该原则对距离较为敏感，经常存在导航星特征向量与观测星特征向量对应错误的问题。本专利技术的排序原则为：计算p中每列总和再与p中元素求取绝对值后每列总和相加的向量，对该向量中元素按从小到大或按从大到小排列。
[0029]p中每列排序原则按所求得的排序向量元素的顺序，再对矩阵进行相应变形，得到导航主星的特征向量pat
s
＝[x
1 y
1 x
2 y2ꢀ…ꢀ
x
i y
i
ꢀ…ꢀ
x
n x
n
]，每颗导航主星的特征向量共同构成了导航星特征数据库，其中x
i
，y
i
表示在新基准下经过排序后序号为i的导航星星点坐标的横、纵坐标。
[0030]以星敏感器视场17
°×
17
°
，像平面分辨率1024
×
1024，像元尺寸15μm
×
15μm，敏感星等6等，导航邻星数量n＝3为例，部分导航星的特征数据如表1所示。
[0031]表1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于星组重心与最小二乘法标定基准的星图识别方法，其特征在于，包括下列步骤：1.1构建导航数据库，包括下列步骤：1.1.1从SAO星表中挑选出符合星敏感器的设计要求的导航星，并进行双星处理；1.1.2构建导航星特征数据库和导航邻星索引库，包括下列步骤：1.1.2.1让每一颗导航星依次成为导航主星，按照与导航主星角距由小到大的原则，选取其中角距最小的n颗星作为导航主星的伴星，即导航邻星，同时依次记录下导航主星与导航邻星的星号组成初步的导航邻星索引库；1.1.2.2根据星敏感器的设计参数，将导航主星和导航邻星矢量从天球坐标系变换到图像坐标系上，进而得到各矢量对应的星点坐标，以矩阵形式记录导航邻星的星点坐标，即p'＝[x
″1,x
″2,
…
,x
″
i
,
…
,x
″
n
；y
″1,y
″2,
…
,y
″
i
,
…
,y
″
n
]，其中x
″
i
,y
″
i
分别为n颗导航邻星与导航主星角距由小到大排序中序号为i的导航邻星在图像坐标系中的横、纵坐标；1.1.2.3将导航主星与导航邻星视为一个星组，利用星组重心确定星组基准或利用星组重心与最小二乘法结合的方式确定星组基准，然后将星点坐标从图像坐标系变换到星组基准坐标系下，即p＝[x'1,x'2,
…
,x'
i
,
…
,x'
n
；y'1,y'2,
…
,y'
i
,
…
,y'
n
]，其中x'
i
,y'
i
分别为n颗导航邻星与导航主星角距由小到大排序中序号为i的导航邻星在星组基准坐标系中的横、纵坐标；1.1.2.4对p中每列进行排序，排序原则为：计算p中每列总和再与p中元素求取绝对值后每列总和相加的向量，对该向量中元素按从小到大或按从大到小排列；p中每列排序原则按所求得的排序向量元素的顺序，再对矩阵进行相应变形，得到导航星的特征向量pat
s
＝[x
1 y
1 x
2 y2ꢀ…ꢀ
x
i y
i
ꢀ…ꢀ
x
n x
n
]，每颗导航星的特征向量共同构成了导航星特征数据库，导航星特征数据库以矩阵形式存储，其中x
i
,y
i
表示在星组基准坐标系下经过排序后序号为i的导航星星点坐标的横、纵坐标；1.1.2.5导航星邻星索引库中导航邻星的星号顺序与其在导航星特征数据库中的坐标对应一致；1.2观测星特征数据库、观测邻星索引库的构建，包括下列步骤：1.2.1计算各观测星质心到主点的距离，并根据距离由近到远的原则对观测星进行排序，并将各观测星依次作为观测主星...

【专利技术属性】
技术研发人员：王进，张春福，张辉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：